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1、相对论和宇宙第1页，本讲稿共14页 相对论是现代物理学的理论基础之一。论述物质运动与空间时间关系的理论。20世纪初由爱因斯坦创立并和其他物理学家一起发展和完善，狭义相对论于1905年创立，广义相对论于1916年完成.狭义相对论提出两条基本原理。（1）光速不变原理。即在任何惯性系中，真空中光速c都相同，与光源及观察者的运动状况无关。（2）狭义相对性原理是物理学的基本定律乃至自然规律，对所有惯性参考系来说都相同。爱因斯坦的第二种相对性理论（1916年）。该理论认为引力是由空间时间几何（也就是，不仅考虑空间中的点之间，而是考虑在空间和时间中的点之间距离的几何）的畸变引起的，因而引力场影响时间和距离的
2、测量.第2页，本讲稿共14页 两个基本原理：由由“追光实验追光实验”的思考，他提出了建立狭义相对论的两个基本原理的思考，他提出了建立狭义相对论的两个基本原理中的一个即中的一个即光速不变原理光速不变原理光速不变原理光速不变原理光的传播速度与惯性参考系的运动速光的传播速度与惯性参考系的运动速度无关，因而与光源速度无关。度无关，因而与光源速度无关。另一个基本原理是另一个基本原理是相对性原理相对性原理相对性原理相对性原理物理学的定律，即一切描物理学的定律，即一切描写运动规律的方程式在所有惯性系中具有相同的形式。写运动规律的方程式在所有惯性系中具有相同的形式。两原理密切结合，不能分开，相对性原理好比两原
3、理密切结合，不能分开，相对性原理好比“画龙画龙”，光，光速不变是爱因斯坦的速不变是爱因斯坦的“点睛点睛”之笔。麦克斯韦方程在伽利略变换之笔。麦克斯韦方程在伽利略变换下，在不同惯性系中形式要变了，但在洛仑兹变换（后面介绍）下，在不同惯性系中形式要变了，但在洛仑兹变换（后面介绍）下将保持不变，而洛仑兹变换正是在光速不变原理下导出的。下将保持不变，而洛仑兹变换正是在光速不变原理下导出的。”第3页，本讲稿共14页广义相对论：爱因斯坦的基于光速对所有的观察者（而不管他们如何运动的）必须是相同的观念的理论。它将引力按照四维空间时间的曲率来解释。狭义相对论和万有引力定律，都只是广义相对论在特殊情况之下的特例
4、。狭义相对论是在没有重力时的情况；而万有引力定律则是在距离近、引力小和速度慢时的情况。第4页，本讲稿共14页狭义相对论和广义相对论的区别是:前者讨论的是匀速直线运动的参照系（惯性参照系）之间的物理定律，后者则推广到具有加速度的参照系中（非惯性系），并在等效原理的假设下，广泛应用于引力场中。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。经典物理学基础的经典力学，不适用于高速运动的物体和微观领域。狭义相对论和广义相对论的区别第5页，本讲稿共14页相对论的基本方程由相对论动量表达式可知：F=dp/dt，这是力的定义式，虽与牛顿第二定律的形式完全一样，但内涵不一样。（相对论中质量是变量）第6页，本讲稿共
5、14页建立相对论建立相对论:n n爱因斯坦于1915年进一步建立起了广义相对论。他引入了一个等效原理，认为我们不可能区分引力效应和非匀速运动，即非匀速运动和引力是等效的。他进而分析了光线在靠近一个行星附近穿过时会受到引力而弯折的现象，认为引力的概念本身完全不必要。可以认为行星的质量使它附近的空间变成弯曲，光线走的是最短程线。基于这些讨论，爱因斯坦导出了一组方程，它们可以确定由物质的存在而产生的弯曲空间几何。利用这个方程，爱因斯坦计算了水星近日点的位移量.第7页，本讲稿共14页广义相对论的实验检验广义相对论的实验检验n n在广义相对论建立之初，爱因斯坦提出了三项实验检验，一是水水星近日点的进动星
6、近日点的进动，二是光线在引光线在引力场中的弯曲力场中的弯曲，三是光谱线的引光谱线的引力红移力红移。其中只有水星近日点进动是已经确认的事实，其余两项只是后来才陆续得到证实。60年代以后，又有人提出观测雷达回波延迟、引力波等方案。第8页，本讲稿共14页狭义相对论狭义相对论狭义相对论是由爱因斯坦在洛仑兹和庞加莱等人的工作基础上创立的时空理论，是对牛顿时空观的拓展和修正。爱因斯坦以光速不变原理出发，建立了新的时空观。进一步，闵科夫斯基为了狭义相对论提供了严格的数学基础，从而将该理论纳入到带有闵科夫斯基度量的四维空间之几何结构中。狭义相对论还有一个质量随运动速度而增加的结论,实验中发现，高速运动的电子的
7、质量比静止的电子的质量大。第9页，本讲稿共14页狭义相对论狭义相对论 -历史背景及重要实验基础历史背景及重要实验基础 l l牛顿力学是狭义相对论在低速情况下的近似。伽利略变换与电磁学理论的不自洽 到19世纪末，以麦克斯韦方程组为核心的经典电磁理论的正确性已被大量实验所证实，但麦克斯韦方程组在经典力学的伽利略变换下不具有协变性。而经典力学中的相对性原理则要求一切物理规律在伽利略变换下都具有协变性。在这样的背景下，才有了狭义相对论 第10页，本讲稿共14页弯曲时空中的量子场论n n作为现代物理中作为现代物理中粒子物理学粒子物理学的基础，通常意义上的的基础，通常意义上的量量子场子场论是建立在平直的闵
8、可夫斯基时空中的，这对于处论是建立在平直的闵可夫斯基时空中的，这对于处在像地球这样的弱引力场中的在像地球这样的弱引力场中的微观粒子微观粒子的描述而言是一的描述而言是一个非常好的近似。而在某些情形中，引力场的强度足个非常好的近似。而在某些情形中，引力场的强度足以影响到其中的以影响到其中的量子化量子化的物质但不足以要求引力场本身也的物质但不足以要求引力场本身也被量子化，为此物理学家发展了弯曲时空中的量子场论。被量子化，为此物理学家发展了弯曲时空中的量子场论。这些理论借助于经典的广义相对论来描述弯曲的背景时空，这些理论借助于经典的广义相对论来描述弯曲的背景时空，并定义了广义化的弯曲时空中的量子场理论
9、。通过这种理并定义了广义化的弯曲时空中的量子场理论。通过这种理论，可以证明黑洞也在通过论，可以证明黑洞也在通过黑体辐射黑体辐射释放出粒子，这即是释放出粒子，这即是霍金辐射，并有可能通过这种机制导致黑洞最终蒸发。如霍金辐射，并有可能通过这种机制导致黑洞最终蒸发。如前文所述，霍金辐射在前文所述，霍金辐射在黑洞热力学黑洞热力学的研究中起到了关键作的研究中起到了关键作用。用。第11页，本讲稿共14页量量子子引引力力物质的量子化描述和时空的几何化描述之间彼此不具有相容性，以及广义相对论中时空曲率无限大（意味着其结构成为微观尺度）的奇点的出现，这些都要求着一个完整的量子引力理论的建立。这个理论需要能够对黑
10、洞内部以及极早期宇宙的情形做出充分的描述，而其中的引力和相关的时空几何需要用量子化的语言来叙述。尽管物理学家为此做出了很多努力，并有多个有潜质的候选理论已经发展起来，至今人类还没能得到一个称得上完整并自洽的量子引力理论。第12页，本讲稿共14页总结n n爱因斯坦的广义相对论理论在天体物理学中有着非常爱因斯坦的广义相对论理论在天体物理学中有着非常重要的应用：它直接推导出某些大质量重要的应用：它直接推导出某些大质量恒星恒星会终结为会终结为一个黑洞一个黑洞时空中的某些区域发生极度的扭曲以至于连时空中的某些区域发生极度的扭曲以至于连光都无法逸出。有证据表明光都无法逸出。有证据表明恒星质量恒星质量黑洞以
11、及超大质量黑黑洞以及超大质量黑洞是某些天体例如活动星系核和洞是某些天体例如活动星系核和微类星体微类星体发射高强度辐发射高强度辐射的直接成因。光线在引力场中的偏折会形成射的直接成因。光线在引力场中的偏折会形成引力透镜引力透镜现象，这使得人们能够观察到处于遥远位置的同一个天体现象，这使得人们能够观察到处于遥远位置的同一个天体的多个成像。广义相对论还预言了引力波的存在，引力波的多个成像。广义相对论还预言了引力波的存在，引力波已经被间接观测所证实，而直接观测则是当今世界像已经被间接观测所证实，而直接观测则是当今世界像激光激光干涉引力波天文台干涉引力波天文台（LIGOLIGO）这样的引力波观测计划的目）这样的引力波观测计划的目标。此外，广义相对论还是现代宇宙学膨胀宇宙模型标。此外，广义相对论还是现代宇宙学膨胀宇宙模型的理论基础。的理论基础。第13页，本讲稿共14页谢谢老师经济与管理学院102班古翠林第14页，本讲稿共14页